光孤子的简述

朱叶青

摘要：对于孤子领域的探索与研究可以使我们扩展对基本物理现象和原理的理解，世界上不少物理学家和数学家对之很感兴趣，直到20世纪70年代，由于光纤通讯的发展，光孤子的研究与探索才引起了人们的普遍关注，其理论及其应用均取得了很大的进展，在光通信、光子信息处理、全光网络等方面有着不可估量的广泛的应用前景。

关键词：空间光孤子 时间光孤子 非局域非线性介质 光孤子通信

一、引言

人们对孤子现象的研究最早应该追溯到1834年8月，当时苏格兰科学家Russell偶然在狭窄的河道中观察到水的“孤立波”现象。1895年，荷兰数学家Korteweg和他的学生对浅水波的运动进行研究，建立了著名的KdV方程，并给出了方程的孤立解，从而证明了孤立波的存在。对于孤子领域的探索与研究可以使我们扩展对基本物理现象和原理的理解，世界上不少物理学家和数学家对之很感兴趣，直到20世纪70年代，由于光纤通讯的发展，光孤子的研究与探索才引起了人们的普遍关注，其理论及其应用均取得了很大的进展，在光通信、光子信息处理、全光网络等方面有着不可估量的广泛的应用前景。

二、孤子的简介

光孤子就其形成机制，可分为时间光孤子和空间光孤子，时间光孤子是因为光的群速度色散与非线性自相位调制相互平衡而形成的，由于其特有的一些性质，一直是通讯领域的研究热点；而空间光孤子是因为光束的衍射效应与非线性效应相互平衡而形成的，由于其在全关开关，光路由，光子信息处理，光逻辑门等方面的潜在应用，自上世纪中后期已经成为了研究的热门领域。

空间光孤子的种类繁多，内容非常丰富，按其直观特性可以分为亮孤子、暗孤子、灰孤子三类。根据材料对光场响应的不同非线性机理，可将空间光孤子分为克尔孤子，类克尔孤子，二次孤子，光折变孤子等，还可以根据其表现方式进行分类，这样的分类方法不直接与具体的材料发生联系，根据这种分类方法，可以将空间光孤子分为相干孤子，非相干孤子，离散孤子，非局域空间光孤子，时空孤子等。非局域空间光孤子是存在于空间非局域非线性介质中的空间光孤子，所谓空间非局域非线性介质，指的是介质中一点对光场的非线性响应，不仅仅与该点的光场有关，而且与空间中其他点的光场有关，材料的空间非局域性起源于物质内对光场响应的单元的空间相关性，若材料的这种相关性为零，则为局域性材料。因此，根据光束束宽与介质非线性响应函数相关长度的相对尺度，通常可将非局域程度分为四大类：局域類、弱非局域类、一般性非局域类、强非局域类。空间光孤子的研究很长时间都局限在局域介质方面，孤子在这类介质中传输满足局域非线性薛定谔方程，对它的精确求解需用到非常复杂的逆散射法。1997年，Snyder和Mitchell对光束在强非局域介质中的传输做了杰出的贡献，将复杂的非线性问题化为简单的线性问题。从此之后，非局域空间光孤子研究成为孤子研究领域的一大热点。

三、孤子的应用前景

因为时间光孤子的重要特性，所以在光孤子通信领域的前景巨大，光孤子通信是实现超长距离高速通信的重要手段，同时也被认为是第五代光纤通信系统。研究发现通过波分复用、偏振复用和正交偏振等技术可以使得光孤子系统中的有效码率提升到Tbit/s以上。随着光纤孤子激光器、光纤放大器等的技术日趋成熟，光孤子传输系统会向着全光纤孤子传输方向发展，且因为暗孤子受光纤损耗的影响相对于亮孤子会小些，所以暗孤子光纤通信也可能会成为未来光孤子通信的主导方向。

有关空间光孤子的理论和实验方面的研究都广泛进行着，且取得了卓越成果，在二次材料、光折变材料、向列相液晶、铅玻璃等不同的介质中都发现了空间光孤子，其中向列相液晶和铅玻璃则陆续被证明是强非局域非线性材料，成为了近十几年来的研究焦点。对空间光孤子的研究不仅使得我们扩展了对基本物理现象与原理的理解，更重要的是空间光孤子本身在光子（全光）信息处理（全光开关，全光互联，光路由以及全光逻辑光路等）方面有着广泛的应用前景。在实现高速率、大容量全光网络和光计算时，光子信息处理技术是必不可少的关键技术单元。而全光网络和光计算机的关键是全光控制技术，空间光孤子理论则是全光控制技术的基础原理之一，因此对空间光孤子特性的全面研究和彻底掌握具有非常重要的价值。

光孤子不仅在应用方面有着广阔的前景，而且在物理的一些基础理论的探讨、验证及概念的深化等方面也有着重要的意义。

四、结语

在物理学的发展史上，理论与实验工作的结合往往会带给研究者们新的发现，光孤子的研究正证实了这一点。虽然光孤子传输要真正实用化尚有许多问题需要解决，但随着人们对光孤子认识的近一步加深以及相关科学技术的发展，光孤子的理论价值和实用价值将会进一步被挖掘出来。

参考文献：

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